文章编号:100227602(2000)0520021203C 4Q 1型米轨敞车车体设计梁美玲(戚墅堰机车车辆厂科研所,江苏常州213011)摘　要:介绍了C 4Q 1型米轨敞车的主要技术参数和车体主要结构,并对其车体进行了静强度计算分析和结构优化设计。

关键词:米轨敞车;车体;设计;技术参数;结构中图分类号:U 272.2 文献标识码:B 为适应国际市场需求,戚墅堰机车车辆厂于1995年开始研制C 4Q 1型米轨敞车(见图1)。

1997年7月完成样车车体试制,11月试制完成了2台转向架,12月底,由铁道部科学研究院机辆所在昆明铁路局米轨线路上进行了动力学性能试验,各项性能指标均符合GB 5599—85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》的要求。

图1　C 4Q 1型米轨敞车1　主要技术参数(见表1)表1　C 4Q1型米轨敞车主要技术参数载重 t 40自重 t 1715容积 m 348比容(m 3・t -1)112自重系数0143每延米重 t4186构造速度(km ・h -1)80通过最小曲线半径 m 145限界符合《米轨铁路技术管理补充规程》规定的机车车辆限界车辆定距 mm 7500车辆长度 mm 11838底架长度 mm 10900底架宽度 mm2400收稿日期:1998205218;修订日期:1999208213作者简介:梁美玲(1965—),女,工程师。

车辆最大宽度 mm 2742车辆最大高度 mm 2892车体内长 mm 10900车体内宽 mm 连铁处2284　上侧板处2390车体内高 mm1850空车地板面距轨面高 mm 1029车钩中心线距轨面高 mm 825门孔尺寸(宽×高) mm 下侧门孔1250×954　下侧门孔(端)1050×9542　车体主要结构该车车体为全钢焊接结构,由底架、侧墙、端墙、车门等部件组成。

底架钢结构主要由中梁、侧梁、端梁、枕梁、大横梁、小横梁等组成。

中梁由材质为09V 的310乙型钢组焊而成,腹板内距为350mm 。

枕梁为双腹板变截面箱形结构,上盖板厚8mm ,腹板厚8mm ,下盖板厚10mm 。

大横梁为单腹板工字形结构,上盖板厚8mm ,腹板厚6mm ,下盖板厚8mm 。

侧梁采用槽钢180mm ×70mm ×9mm ,小横梁为12号槽钢。

底架上铺设厚7mm 的耐候钢地板。

侧墙为板柱式结构,由上侧梁、侧柱、侧板、连铁及侧柱补强板等组成。

上侧梁采用槽钢140mm ×58mm ×6mm 。

侧柱采用冷弯帽型钢。

端墙由上端梁、角柱、横带及端板等组焊而成。

上端梁采用槽钢140mm ×58mm ×6mm ,横带采用冷弯型钢240mm ×140mm ×6mm ,角柱由槽钢140mm ×58mm ×6mm 与钢板组焊而成。

脚蹬铆接在车辆1、4位的下侧梁上,其上部的侧墙设置扶梯。

为提高装卸效率,下侧门孔尺寸适当加大,端部下侧门孔尺寸受结构限制,比其他下侧门稍窄些。

・12・车辆产品与零部件铁道车辆　第38卷第5期2000年5月3　车体静强度计算3.1　结构离散利用I —D EA S 软件对车体进行静强度计算,首先要进行结构离散。

建模时,取对称于车体中央纵断面的二分之一车体。

为了详细描述车体的实际结构,车体的所有梁、板、柱均采用板壳单元来划分网络。

该模型可以把诸如侧柱内补强座这样的小构件也能用板壳单元描述清楚,使模型更加接近实际结构。

该模型共用了5772个单元。

3.2　载荷的确定3.2.1　垂直载荷垂直静载荷P j =40×1115+1015=5615(t ),动载荷系数K dy =[(a +bv ) f j ]+(c f j )。

经计算,动载荷系数K dy =0139,则垂直总载荷P =P j (1+K dy )=5615×1139=7815(t )。

以上载荷在计算过程中,将车体自重用惯性加速度计入。

如在垂直静载荷工况下,结构重力加速度为y方向-91806m s 2×11226=-121019m s 2,其中,11226为自重比(=车体实际自重 模型自重)。

由于有限元分析中建模时不考虑车体上非受力构件,故模型自重比车体实际重量轻。

3.2.2　散装货物侧压力散装货物侧压力的计算公式为:P y =Χ・y ・tan 2(45°-Α 2)式中:Χ——货物密度,取Χ=111t m 3;y ——堆装货物表面到计算压力处的垂直距离;Α——自然坡角,取25°。

以tan 2(45-Α 2)=01406为系数,参照液体压力密度原理,根据所载散装货物的实际情况,计算出车体侧面每个节点处的实际受力,分别加在各单元上。

3.2.3　纵向力、风力及离心力由于该车为米轨敞车,其载重比准轨车辆小,所受纵向压缩力也小,故该车只取第一工况的纵向压缩力(为1200kN ,该力沿车钩中心线作用在车体底架的后从板座上)及纵向拉伸力(为1000kN ,该力沿车钩中心线作用在车体底架的前从板座上)。

风力按55kg m 2大小均匀加在侧墙外侧。

离心力大小取结构重力加速度的715%,离心力的方向同结构加速度一致。

3.3　约束的设置由于车体具有纵向对称平面,在对称载荷的作用下,在纵向对称面上的所有结点应加相应的约束力。

在对称面上将非对称位移约束为零,在两心盘处增加y 向约束。

3.4　工况的组成本计算设定3种工况:工况一:垂直静载荷P j 。

工况二:垂直总载荷+侧压力+1200kN 压缩力+风力+离心力。

工况三:垂直总载荷+侧压力+1000kN 拉伸力+风力+离心力。

3.5　计算结果及分析根据TB 1335—78《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》(以下简称《规范》)的规定,用工况一来评定车体刚度,用工况二、工况三来评定车体强度。

3.5.1　刚度评定根据《规范》的规定,对于侧墙承载的车体挠跨比评定标准为:中梁挠跨比=f z l 2≤1 1500侧墙挠跨比=f c l 2≤12000式中:f z ——中梁中央挠度;f c ——侧墙中央挠度;l 2——车辆定距。

该车为侧墙承载车体,则中梁挠跨比=31717500=12022<11500侧墙挠跨比=21657500=12830<12000故该车满足《规范》推荐的垂直弯曲刚度的要求。

3.5.2　强度评定与分析在工况二的组合载荷作用下,最大应力点位于牵引梁部位及枕后断面突变处,在牵引梁靠枕梁处,中梁的最大应力为141M Pa 。

在工况三的组合载荷作用下,载荷产生的最大应力点位于前后从板座之间的中梁腹板处。

枕梁主要承受垂直载荷并传递纵向力,其承受垂直载荷的应力均较对应的中侧梁各断面应力值要大。

在工况二组合载荷作用下,枕梁靠近中梁根部的断面上的应力系同号应力叠加,为危险应力区,该处的最大应力值为84M Pa 。

由于纵向力主要由枕梁传给侧墙和下侧梁,因此,枕梁与下侧梁连接处的应力较大。

下侧梁采用18号槽钢,材料利用较充分,便于侧柱铆2排铆钉。

在工况二、工况三作用下,在靠近车体中部的上翼缘处产生最大应力为72M Pa 。

侧柱采用单根冷弯帽型钢,加焊内补强座,强度基本满足要求。

车体中间的侧柱下部应力较大,最大应力・22・铁道车辆　第38卷第5期2000年5月为60M Pa。

端梁靠近中梁下翼缘处应力最大,为9517 M Pa。

工况二、工况三的最大应力均小于《规范》规定的许用应力(157M Pa)。

从车体各板壳单元的彩色应力图(略)可看出,该车辆的强度完全满足要求。

4　结构优化设计由以上强度计算结果可看出,该车的车体结构强度完全满足要求,但还有一些部位的强度有富裕。

为了减轻自重,使各部位受力分布更加合理,在保持原来结构形状不变的情况下,用I—D EA S软件对该结构进行优化设计,以达到进一步减轻自重的目的。

该车模型共建立了10个优化单元组,12个优化变量,通过尺寸重新设计,各组板单元厚度有不同的变化,得出最佳厚度尺寸及梁截面。

该车的刚度评定结果表明,中梁与侧墙的刚度差别很小,横向梁受力较小。

由于该敞车为侧壁承载结构,垂直载荷通常由中梁沿横向梁传递给侧墙,为了使载荷分布较均匀,可适当减少横向梁刚度,使垂直载荷传递给侧墙。

受中梁材料限制,该车只能选用310乙型钢作中梁,该梁无论强度还是刚度都富裕很大,当减少大横梁、小横梁和端梁等横向梁的刚度,使中梁所承受的载荷通过横向梁传给侧墙。

优化结果表明:大横梁的上下盖板及腹板均可采用厚5mm钢板;小横梁可用10号槽钢代替原来的12号槽钢;端梁可采用厚6mm钢板;地板从强度和刚度方面分析也可适当减薄,但考虑到地板腐蚀、货物装卸时的碰撞及使用寿命等,仍采用厚7mm的钢板;对于该敞车的侧墙和端墙来说,侧板可优化为厚4mm钢板,并将4mm侧板压成凸出形状,既美观又增加刚度;侧柱用厚6mm板压制成变截面的帽型钢,即侧柱从上往下,帽形截面线性增大,因侧柱下部应力较上部大;上侧梁、上端梁可采用12号槽钢代替原来的14号槽钢;端墙横带截面尺寸可相应减少,用厚5mm钢板压成帽形截面,角柱用12号槽钢与厚6mm板拼成方形截面。

该车试制时,受所能选用的材料限制,自重稍偏大。

通过对该车的静强度计算分析及结构优化设计,可以得出结论:采用新型冷轧型材,以及上述结构优化结果,可大大减轻该车的自重,使结构更趋合理。

5　结束语该车结构合理,主要型钢板材均采用耐候钢,所有钢材均经过抛丸除锈预处理,表面涂层采用厚浆型底面漆,从而提高了防腐能力,使车辆的段修期从1a延长到115a,厂修期从5a延长到9a,延长了车辆的使用寿命。

该车采用米轨自导向转向架,采用SKF C轴(5in×9in)滚动轴承,提高了车辆的动力学性能。

该车动力学性能试验表明,其在70km h速度范围内,运行稳定性、平稳性、动强度等各项技术指标均良好,符合GB5599—85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》的规定,满足米轨线路运行要求。

参考文献:[1]　刘成立,张希原.平车底架结构设计要点浅论(上、下)[J].铁道车辆,1995,33(7):33—38、33(8):41—46.[2]　张文笔,周德义.5D轴敞车车体结构优化设计计算[J].铁道车辆,1995,33(11):1—6.[3]　铁道部产品质量监督检验中心机车车辆检验站.C4Q1型米轨敞车动力学性能试验报告[R].1997.(编辑:杨调动)1999年国家铁路主要指标完成情况(摘录)项 目单　位1999年完成同比增长 %货运量万t156881214　煤炭万t64900113　晋煤万t19458418货物周转量亿t・km12578216客运量万人97725511旅客周转量亿人・km　4046916新线投产km　10401019复线投产km　129311912电气化铁路投产km 607-3816新造客车辆　17801219新造货车辆18054-2413修理客车辆　3412-319修理货车辆53532310 注:1999年数据除运输外均为统计速报数。